DE102004052950A1

DE102004052950A1 - Druckaufnehmer mit hydraulischer Druckübertragung

Info

Publication number: DE102004052950A1
Application number: DE102004052950A
Authority: DE
Inventors: Thomas Uehlin; Jürgen Lange; Olaf Textor; Raimund Becher; Karl-Heinz Banholzer
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2006-05-04
Also published as: CN101263374B; EP1805494A1; RU2007119713A; CN101263374A; US7866214B2; RU2381466C2; US20090107245A1; WO2006045771A1

Abstract

Ein Druckaufnehmer für Hochtemperaturanwendungen umfasst ein Sensormodul (1) mit DOLLAR A einem Sensorkörper (11), der eine Messzellenkammer (15) aufweist, in der eine Druckmesszelle (13) angeordnet ist, wobei die Druckmesszelle (13) über einen ersten mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllten hydraulischen Pfad mit einem Druck beaufschlagbar ist, und ein Übertragungsmodul zum Übertragen eines Drucks zu dem ersten hydraulischen Pfad, wobei das Übertragungsmodul (2) einen zweiten mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllten hydraulischen Pfad aufweist, der sich von einer Prozessmembran (24) durch einen Übertragungskörper (22) zu einer Übertragungsmembran (25) erstreckt, die Übertragungsmembran (25) druckdicht an dem Übertragungskörper (22) druckdicht befestigt ist, und der Sensorkörper (11) derart druckdicht mit dem Übertragungskörper verbunden ist, dass die Übertragungsmembran (25) der erste hydraulische Pfad mit der kommuniziert, so dass der Druck des zweiten hydraulischen Pfades durch die Übertragungsmembran auf den ersten hydraulischen Pfad übertragbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Druckaufnehmer mit hydraulischer Druckübertragung, insbesondere für den Einsatz bei hohen Temperaturen. Druckaufnehmer mit hydraulischer Druckübertragung weisen gewöhnlich einen hydraulischen Pfad auf, der sich zwischen einer Prozessmembran und einer Druckmesszelle erstreckt, wobei die Prozessmembran einem Prozessmedium ausgesetzt ist, dessen Druck zu ermitteln ist. Problematisch sind dabei Situationen, bei denen hohe Temperaturen des Prozessmediums bei einem niedrigen Prozessdruck auftreten. Beispielsweise Temperaturen über 200°C bei einem Druck unter 100 mbar. Unter diesen Umständen die Übertragungsflüssigkeit im hydraulischen Pfad Verdampfen bzw. Ausgasen. Dies kann im günstigsten Fall reversibel gemäß der Dampfdruckkurve für die jeweilige Übertragungsflüssigkeit erfolgen, wobei aber auch in diesem Fall eine plastische Verformung der Prozessmembran droht, was einen Messfehler zur Folge hat. Häufig verhält sich die Übertragungsflüssigkeit jedoch nicht gemäß der Dampfdruckkurve für den reinen und nativen Zustand, denn aufgrund von Reaktionen mit Verunreinigungen oder mit den Oberflächen die den hydraulischen Pfad begrenzen, kann die Übertragungsflüssigkeit volatile Zersetzungsprodukte enthalten, die nach dem Ausgasen nicht mehr in Lösung gehen.

Insoweit ist es vorteilhaft, möglichst temperaturstabile Übertragungsflüssigkeiten mit einem ausreichend niedrigen Dampfdruck einzusetzen.

Zudem sollte die Übertragungsflüssigkeit in einer solchen Weise in den hydraulischen Pfad eingebracht werden, dass sie chemisch stabil bleibt. Dem stehen jedoch oft andere Randbedingungen entgegen. Beispielsweise können elektronische Bauelemente und eine Halbleiterdruckmesszelle nicht den hohen Temperaturen ausgesetzt werden, die für eine Befüllung vorteilhaft sind. Denn die Befülltemperatur sollte im Idealfall nicht unterhalb der maximalen Prozesstemperatur liegen, und hydraulische Übertragungssysteme werde gerade darum verwendet um die elektronischen Bauelemente und die Messzellen vor den hohen Prozesstemperaturen zu schützen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Druckaufnehmer bereitzustellen, der die Nachteile des Stands der Technik überwindet. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Druckaufnehmer gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1.

Der erfindungsgemäße Druckaufnehmer umfasst
ein Sensormodul mit einem Sensorkörper, der eine Messzellenkammer aufweist, in der eine Druckmesszelle angeordnet ist, wobei die Druckmesszelle über einen ersten mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllten hydraulischen Pfad mit einem Druck beaufschlagbar ist; und
ein Übertragungsmodul zum Übertragen eines Drucks zu dem ersten hydraulischen Pfad, wobei
das Übertragungsmodul einen zweiten mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllten hydraulischen Pfad aufweist, der sich von einer Prozessmembran durch einen Übertragungskörper zu einer Übertragungsmembran erstreckt,
die Übertragungsmembran druckdicht an dem Übertragungskörper druckdicht befestigt ist, und
der Sensorkörper derart druckdicht mit dem Übertragungskörper verbunden ist, dass der erste hydraulische Pfad mit der Übertragungsmembran kommuniziert, so dass der Druck des zweiten hydraulischen Pfades durch die Übertragungsmembran auf den ersten hydraulischen Pfad übertragbar ist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Übertragungsmembran unter Ausbildung einer Übertragungsdruckkammer an einer Stirnfläche des Übertragungskörpers befestigt und die Prozessmembran ist unter Ausbildung einer Prozessdruckkammer an einer Oberfläche eines Prozesskörpers befestigt, wobei der zweite hydraulische Pfad zwischen der Prozessdruckkammer und der Übertragungsdruckkammer beispielsweise durch eine Kapillarleitung verläuft. Der Prozesskörper kann einstückig mit dem Übertragungskörper ausgebildet oder von diesem getrennt sein. Unter dem Gesichtspunkt der effektiven thermischen Entkopplung wird derzeit ein getrennt ausgebildeter Prozesskörper bevorzugt.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Prozessdruckkammer in der Stirnfläche eines Prozesskörpers ausgebildet, wobei der Prozesskörper von dem Übertragungskörper beabstandet ist. Der zweite hydraulische Pfad umfasst eine Druckleitung, insbesondere eine Kapillarleitung, die sich zwischen dem Prozesskörper und dem Übertragungskörper erstreckt. In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Oberflächen, welche den zweiten hydraulischen Pfad begrenzen, einen Werkstoff oder Werkstoffe auf, welche bezüglich der Übertragungsflüssigkeit in dem zweiten hydraulischen Pfad chemisch beständig sind und auch keine katalytische Wirkung für Reaktionen der Übertragungsflüssigkeit aufweisen. Die Materialien umfassen beispielsweise korrosionsbeständige Legierungen, insbesondere Edelstähle. Die den zweiten hydraulischen Pfad begrenzenden Oberflächen umfassen vorzugsweise molybdänhaltige Edelstähle, welche bis auf eventuell vorhandene Verunreinigungen kein Titan aufweisen.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird der zweite hydraulische Pfad bei einem Abfülldruck PA und bei einer Abfülltemperatur TA mit der Übertragungsflüssigkeit befüllt, wobei die Abfülltemperatur nicht mehr als 10 Kelvin unterhalb, vorzugsweise mindestens bei, und besonders bevorzugt mindestens 10 Kelvin oberhalb der spezifizierten maximalen Temperatur des Prozessmediums für den Betrieb des Druckaufnehmers liegt.

Der Abfülldruck PA kann beispielsweise nicht mehr als 200 mbar, vorzugsweise nicht mehr als 100 mbar, weiter bevorzugt nicht mehr als 50 mbar und besonders bevorzugt nicht mehr als 25 mbar betragen.

Geeignete Abfülltemperaturen TA betragen beispielsweise nicht weniger als 200°C, vorzugsweise nicht weniger als 240°C, weiter bevorzugt nicht weniger als 280°C und besonders bevorzugt nicht weniger als 290°C.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Übertragungsmodul einen Temperatursensor auf, der vorzugsweise benachbart zur Prozessdruckkammer bzw. zur Prozessmembran angeordnet ist, um einen Temperaturwert zu erfassen, welcher Rückschlüsse auf die Temperatur der Übertragungsflüssigkeit in der Prozessdruckkammer zuzulassen.

Nach einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung ist der Sensorkörper mit dem Übertragungskörper druckdicht verbunden, wobei der erste hydraulische Pfad das zwischen dem Sensorkörper, der Übertragungsmembran, und dem Übertragungskörper eingeschlossene Volumen umfasst. Der Sensorkörper ist druckdicht mit dem Übertragungskörper entlang der ersten und zweiten Montageflächen verbunden, vorzugsweise durch Verschweißen. Die Befüllung des ersten hydraulischen Pfads mit einer Übertragungsflüssigkeit erfolgt vorzugsweise nach der Verbindung des Sensorkörpers mit dem Übertragungskörper.

Die Übertragungsflüssigkeit im ersten hydraulischen Pfad kann eine andere sein als die im zweiten hydraulischen Pfad, da sie nicht den hohen Temperaturen ausgesetzt ist wie die Übertragungsflüssigkeit in der Prozessdruckkammer. Zudem kann die Befüllung des ersten hydraulischen Pfads bei moderateren Temperaturen erfolgen.

Weitere Vorteile und Gesichtspunkte ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der Beschreibung des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels.
Es zeigt:
1: Einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckaufnehmer; und
2: Einen Längsschnitt durch Komponenten eines Sensormoduls und eines Übertragungsmoduls des erfindungsgemäßen Druckaufnehmers, wobei diese Komponenten noch nicht montiert sind.
Wie in 1 und 2 ersichtlich, umfasst der erfindungsgemäße Druckaufnehmer ein Sensormodul 1 und ein Übertragungsmodul 2. Das Sensormodul 1 umfasst einen Sensorkörper 11, der zumindest abschnittsweise Zylindersymmetrie oder eine andere Axialsymmetrie aufweist. Im Innern des Sensorkörpers 11 ist eine Messzellenkammer 15 angeordnet, welche über einen Messzellenkanal 12 mit einer ersten Stirnfläche des Sensorkörpers 11 verbunden ist. Die erste Stirnfläche ist dem Übertragungsmodul 2 zugewandt. Sie ist zudem von einer ringförmigen Montagewand 17 begrenzt, die sich in axialer Richtung von der ersten Stirnfläche erstreckt. Die Montagewand 17 weist eine erste Montagestirnfläche 18 auf, die nach einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung planar ist. Die erste Montagestirnfläche 18 wird druckdicht mit einer passenden zweiten Montagefläche verbunden. Einzelheiten hierzu werden weiter unten im Anschluss an eine Beschreibung der Struktur des Übertragungsmoduls erläutert.
Das Übertragungsmodul umfasst in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung einen Prozesskörper 21 und einen Übertragungskörper 22, die jeweils zumindest abschnittsweise Zylindersymmetrie oder Rotationssymmetrie aufweisen. Die erwähnten Symmetrien sind für die Erfindung nicht wesentlich, sie ergeben sich jedoch dann, wenn die Komponenten des Druckaufnehmers als Drehteile hergestellt werden.
Der Prozesskörper 21 und der Übertragungskörper 22, weisen jeweils eine durchgehende axiale Bohrung zwischen ihren Stirnflächen auf. Zwischen den einander zugewandten Stirnflächen des Prozesskörpers und des Übertragungskörpers erstreckt sich eine Kapillarleitung 23, die druckdicht an die jeweiligen durchgehenden Bohrungen angeschlossen ist.
An der sensorseitigen Stirnfläche des Prozesskörpers 21, die der Kapillarleitung 23 abgewandt ist, ist eine flexible Prozessmembran 24 entlang ihres Umfangs druckdicht befestigt. Zwischen der Prozessmembran 24 und dem Prozesskörper 21 wird eine Prozessdruckkammer gebildet, welche mit der Kapillarleitung 23 kommuniziert.
An der Stirnfläche des Übertragungskörpers 22, die der Kapillarleitung 23 abgewandt ist, ist eine flexible Übertragungsmembran 25 entlang ihres Umfangs druckdicht befestigt. Zwischen der Übertragungsmembran 25 und dem Übertragungskörper 22 wird dadurch eine Übertragungsdruckkammer 28 gebildet, welche mit der Kapillarleitung 23 und dadurch mit der Prozessdruckkammer 29 kommuniziert.
Die Prozessdruckkammer 29, die Kapillare 23 und die Übertragungsdruckkammer 28 sind mit einer temperaturbeständigen Übertragungsflüssigkeit gefüllt.
Im Betrieb des erfindungsgemäßen Druckaufnehmers kann die Prozessmembran 24 einem Prozessmedium ausgesetzt werden, und der Druck des Mediums wird mittels der Übertragungsflüssigkeit zur Übertragungsmembran 25 übertragen.
Die sensorseitige Stirnfläche des Übertragungskörpers, weist die zuvor erwähnte zweite Montagefläche auf, mit welcher die erste Montagefläche des Sensormoduls druckdicht verschweißt. wird.
Das Messzellenkammer sowie das Volumen zwischen dieser und der Übertragungsmembran, also der erste hydraulische Pfad, werden mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt, nachdem der Sensorkörper mit dem Übertragungskörper entlang der ersten und zweiten Montageflächen verbunden wurde.
Im Sensormodul und im Umformermodul sind Befüllkanäle zur Befüllung des ersten und zweiten hydraulischen Pfades mit Übertragungsflüssigkeit vorgesehen. Einzelheiten zur Ausgestaltung des Befüllkanals dessen Verschluss sind dem Fachmann geläufig und bedürfen keiner weiteren Darstellung.
Im Prozesskörper 21 ist weiterhin ein Sackloch vorgesehen, in dem ein Temperatursensor 33 positioniert werden kann, um eine Temperatur des Prozesskörpers zu erfassen, die Aussagen über die Temperatur im zweiten hydraulischen Pfad ermöglicht. Die Anschlussleitungen 32 des Temperatursensors 33 werden durch die Bohrung 30 im Randbereich des Übertragungskörpers zum Sensormodul bzw. zu einer Schaltung geführt welche die Temperaturdaten auswertet. Die Anschlussleitungen können in einem Stahlrohr 31 bzw. in einem Stahlmantel geführt werden, wie in 1 dargestellt ist. Das Stahlrohr, ist vorzugsweise in solcher Weise in das Sackloch im Prozesskörper eingesetzt, dass der Ringspalt zwischen Prozesskörper und Stahlrohr die Anforderungen an eine Flammendurchschlagsperre erfüllt. Entsprechend kann die Verbindung des Stahlrohrs zum Übertragungskörper so gestaltet sein, dass sie die Anforderungen an eine Flammendurchschlagsperre erfüllt.

Claims

Druckaufnehmer umfassend ein Sensormodul (1) mit einem Sensorkörper (11), der eine Messzellenkammer (15) aufweist, in der eine eine Druckmesszelle (13) angeordnet ist, wobei die Druckmesszelle (13) über einen ersten mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllten hydraulischen Pfad mit einem Druck beaufschlagbar ist, und ein Übertragungsmodul zum Übertragen eines Drucks zu dem ersten hydraulischen Pfad, wobei das Übertragungsmodul (2) einen zweiten mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllten hydraulischen Pfad aufweist, der sich von einer Prozessmembran (24) durch einen Übertragungskörper (22) zu einer Übertragungsmembran (25) erstreckt, die Übertragungsmembran (25) druckdicht an dem Übertragungskörper (22) druckdicht befestigt ist, und der Sensorkörper (11) derart druckdicht mit dem Übertragungskörper verbunden ist, dass die Übertragungsmembran (25) der erste hydraulische Pfad mit der kommuniziert, so dass der Druck des zweiten hydraulischen Pfades durch die Übertragungsmembran auf den ersten hydraulischen Pfad übertragbar ist.
Druckaufnehmer nach Anspruch 1, wobei die Übertragungsmembran (25) unter Ausbildung einer Übertragungsdruckkammer (28) an einer Stirnfläche des Übertragungskörpers (22) befestigt ist.
Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Prozessmembran (24) unter Ausbildung einer Prozessdruckkammer (29) an einer Oberfläche eines Körpers befestigt ist, wobei der zweite hydraulische Pfad zwischen der Prozessdruckkammer und der Übertragungsdruckkammer verläuft.
Druckaufnehmer nach Anspruch 3, wobei die Prozessdruckkammer (29) in der Stirnfläche eines Prozesskörpers (21) ausgebildet ist, der Prozesskörper von dem Übertragungskörper beabstandet ist, und der zweite hydraulische Pfad eine Druckleitung (23) umfasst, die sich zwischen dem Prozesskörper und dem Übertragungskörper (22) erstreckt.
Druckaufnehmer nach Anspruch 4, wobei die Druckleitung (23) eine Kapillarleitung umfasst.
Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächen, welche den zweiten hydraulischen Pfad begrenzen, einen Werkstoff oder Werkstoffe umfassen, welche bezüglich der Übertragungsflüssigkeit in dem zweiten hydraulischen Pfad inert sind.
Druckaufnehmer nach Anspruch 6, wobei die inerten Materialien korrosionsbeständige Legierungen, insbesondere Edelstähle umfasst.
Druckaufnehmer nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die den zweiten hydraulischen Netzpfad begrenzenden Oberflächen molybdänhaltige Edelstähle umfassen, welche bis auf eventuell vorhandene Verunreinigungen kein Titan aufweisen.
Druckaufnehmer nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der zweite hydraulische Pfad unter Vakuum bei einer Abfülltemperatur TA mit der Übertragungsflüssigkeit befüllt wurde, welche Abfülltemperatur nicht mehr als 50 Kelvin, vorzugsweise nicht mehr als 20 Kelvin, weiter bevorzugt überhaupt nicht, unterhalb der spezifizierten Maximal-Medien-Temperatur für den Betrieb des Druckaufnehmers liegt.
Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Übertragungsmodul einen Temperatursensor (33) aufweist, der benachbart zur Prozessmembran (24) angeordnet ist, um einen Temperaturwert zu erfassen, welcher Rückschlüsse auf die Temperatur der Übertragungsflüssigkeit in der Nähe der Prozessmembran (24) zuzulassen.
Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorkörper (11) mit dem Übertragungskörper (22) druckdicht verbunden ist, wobei der erste hydraulische Pfad das zwischen dem Sensorkörper (11), der Übertragungsmembran (25), und dem Übertragungskörper (22) eingeschlossene Volumen umfasst.
Druckaufnehmer nach Anspruch 11, wobei der Sensorkörper (11) mit dem Übertragungskörper (22) druckdicht verschweißt ist.
Druckaufnehmer nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Befüllung des ersten hydraulischen Pfads mit einer Übertragungsflüssigkeit nach der Verbindung des Sensorkörpers (11) mit dem Übertragungskörper (22) erfolgt.